專利名稱：集成光收發機的制作方法
技術領域：
本發明涉及集成光收發機，尤其涉及采用用在光通信系統的內腔多路分用諧振器的收發機。
多波長光通信網絡能夠顯著地增加傳輸容量，增強系統靈活性和便于更靈活和新的系統管理方案。實現這種成本經濟系統的主要問題是穩定的多波長收發機和具有精確信道波長分辨力和低溫靈敏度的檢測器裝置的實現。后者保存波長注冊并且使得允許在不同溫度的系統各部分的不同器件的通信。用在現有技術中的波長選擇分布式反饋(DFB)器件具有要求精確的溫度控制、加工時缺乏波長精確性和在將信道耦合到單一輸出時的高耦合損耗的缺點。
已經提出在激光器或檢測器內集成有源或無源波長選擇器件以形成能夠同時傳輸或檢測若干波長的集成多波長發送機或接收機裝置。還已知道，這種波長選擇器件能被形成在激光腔內使得在若干波長信道上進行激光振蕩。用在這種方案中的波長選擇器件通常是光柵基結構，其一般與透鏡或反射鏡集成以形成要求的光束控制。
本發明目的是通過提供集成多波長收發器來改進這種裝置。
根據本發明第一方面，提供了一種集成光收發機，其包括形成在第一和第二反饋單元之間的激光器腔，在激光器腔內用于確定激光器腔激射波長的波長選擇裝置和光接收裝置，至少一個反饋單元在激射波長上是部分地透射的以使得允許收發機發射該激射波長的光輻射，以及該波長選擇裝置被設置得用于接收通過一個反饋單元的光和傳送不同于激射波長的所選擇波長的光到所述光接收裝置。
這種收發機能夠檢測在一個或一組波長上的輸入數據并且同時發送在不同的一個或一組波長上的數據。
波長選擇裝置通過成為激光器腔的一部分而確定所產生的激射波長和傳輸到光接收裝置的所選擇波長，并且因此確定由收發機傳輸的波長和由收發機接收的波長。
根據本發明的另一方面，提供有一對匹配的這種收發機。
通過下面的說明和說明書的附屬權利要求，本發明的其它特征將更清楚。
下面通過例子參考附圖來說明本發明，其中
圖1是表示根據本發明集成光收發機第一實施例的示意圖；和圖2是表示根據本發明集成光收發機第二實施例的示意圖。
下面說明單個波長傳輸和檢測收發機，但是所說明的方案能夠擴展到任何數目的波長信道。
圖1示出諸如絕緣體基外延硅芯片的光學芯片1，其上形成了收發機。諸如為硅的脊形波導的集成波導2從諸如為在波導2一端的小平面上形成的拋光且部分抗反射(AR)的涂層的第一反饋單元3延伸到諸如為通過一系列在硅芯片表面刻蝕的窄淺凹槽4A形成的傳輸光柵的波長選擇裝置4。另一波導5形成在芯片1的一個位置，用以以選擇的角度從傳輸光柵4接收光并且經過諸如為半導體激光放大器芯片的光放大器6引導到諸如為激光放大器6的高反射(HR)涂層小平面的第二反饋單元7。在所示的例子中，傳輸光柵包括啁啾(chirped)的周期孔徑的線性陣列，因此它還能聚焦穿過它的光。
沿著波導2向傳輸光柵4傳輸的光隨著其離開波導2發散到硅層，如虛線8所示。光以干涉圖形的形式離開傳輸光柵4并且相對于柵軸(即垂直于柵且與波導2共線的軸)在不同的角位置包括有一系列的峰，每個峰都包含特定波長或波帶的光，該干涉圖形是由以公知方式形成光柵的啁啾周期孔徑的線性陣列產生的。
定位波導5以便接收所選波長λ1的光，該波長λ1是收發機傳輸的波長。該波長的光是在AR涂層3和HR涂層7之間形成的激光腔中以公知方式放大的，并且由于AR涂層僅僅是部分反射的，一部分這種光穿過AR涂層3從收發機中透過作為在波長λ1的收發機的輸出。
另一波導9以選擇的角度也提供在芯片上，以便接收來自傳輸光柵4的第二波長λ2的光和將該光傳輸到諸如光電二極管的檢測器10上。
為了接收各自的波長λ1和λ2在波導5和9之間要求的間隔一般在10-20微米量級，其依賴于結構的尺寸和幾何形狀。
因此，傳輸光柵用作將穿過部分抗反射涂層3的由收發機接收的第二波長λ2的光引至光電二極管。
因此波長選擇結構4被集成為在半導體激光放大器芯片6的部分抗反射(AR)涂層小平面3和高反射(HR)涂層小平面7之間形成的激光器腔的一部分。傳輸光柵4用于設置在相同芯片內部的接收的和傳輸的數據的相對波長。傳輸光柵4通過作為激光器腔的一部分而設置激光器的傳輸波長并作為波長選擇濾光片。此時，傳輸光柵4還作為確保檢測器10由正確范圍的波長照射的帶通濾光片。
因此，傳輸光柵4的波長選擇性使得能夠形成封閉的腔以在一個波長λ1形成激光振蕩和在檢測器對另一波長λ2的自由檢測。檢測器10物理上是激光諧振器的一部分但它在波長域內和其分開。端接波導9的光電二極管10作為高效率的吸收器并且防止在那個波長上形成振蕩。
圖1示意地表示這種收發機的一個實施例。在波長λ2上的數據被耦合到該器件并由柵結構4多路分用以照射到檢測器10。正如上述，圖1所示的例子結合啁啾聚焦光柵4來完成多路分用和聚焦。
圖2表示另一實施例，其使用在硅芯片中刻蝕的準直和聚焦鏡11與反射光柵12的組合。鏡11和反射光柵12能夠通過在硅芯片表面中的深刻蝕形成。
通過提供在光放大器6中在λ1的波長選擇反饋，激光的激射波長是由光柵多路分用器12確定的。
通過該裝置接收的所檢測波長λ2由鏡面11和光柵4導引到檢測器10。因此在激光腔中包括有光柵4，其在每個往返循環期間多路復用和多路分用來自輸入數據的輻射激光波長。這隔離了檢測器9并且在激光高反射涂層小平面7通過光柵多路分用器12到芯片的部分抗反射涂層小平面3之間形成激光腔。
如果波長λ1和λ2顯著地不同，抗反射涂層3能夠設計成對所檢測波長λ2有較低值(即小于反射)以改善耦合效果和對傳輸波長λ1具有較高值(即高于反射)以降低激光閾值。
上述收發機具有若干顯著優點無源光柵多路分用器的采用去掉了位于系統不同部分的收發機的傳輸和檢測波長之間的任何波長注冊問題。這是由于下述事實所檢測和傳輸的波長是通過相同的無源多路分用器裝置設置的。例如，在上述例子中，λ1的發射激光是通過多路分用器幾何結構確定的，例如通過能使光柵形成為亞微米精度的光刻蝕工藝，該幾何結構能夠被非常精確地限定和加工到很高的公差。因此該波長自動地與另一收發機所檢測波長匹配，如果它也將使用相同的多路分用器但具有交換的激光器和檢測器波長。由于在兩種情況下無源多路分用器是效果上相同的，因此波長將是等同的并且因此能自動地自對準。
光柵單元的采用增強了在由光柵定義的特定波長上的激光振蕩。這個波長能被非常精確地設定(優于0.05nm)，并且在一個方面，其可以被設計成足夠地窄以允許啁啾和色散補償的降低，但是在另一方面，其可以被設計成足夠地寬以使得能夠有穩定的和線性的光電流響應(通過平均化輸出模跳躍效果)。
另外，通過逐漸變粗將激光耦合到光柵的波導5，即通過隨著其接近光柵4或12而逐漸變粗波導5的高度和/或寬度，耦合到激光器的光的譜線寬度能夠被減小。
收發機還降低了溫度的靈敏度。溫度的依賴性產生于二個因素1)熱膨脹改變了光柵節距。硅的熱膨脹系數是4.6×10-6K-1，對于典型器件設計，這在-40到85℃的溫度范圍上導致0.7nm的發射激光波長的變化。
2)折射率隨溫度的變化這改變光柵的工作波長。Si折射率隨溫度的變化是1.86×10-4k-1。對于典型器件設計，在-40到85℃的溫度范圍上，這將導致近似為9nm的波長變化。
因此所得波長隨折射率變化比因熱膨脹引起的對應變化大一個數量級。但是，即使在因折射率變化導致的所述125℃溫度范圍之上的9nm偏移，也是顯著地小于使用諸如Fabry-Perot激光之現有技術已經獲得的偏移。
還應當注意，避免了由于在器件性能上有源(激光器)單元導致的隨溫度的波長變化，這是因為該波長是被無源光柵器件設置的。
結果，與發射激光線寬的減小結合的波長隨溫度偏移的減小，顯著地減小了信道波長的要求容許偏差。例如，對于以1310nm和1550nm二波長工作的收發器裝置，如果在沒有任何溫度穩定的情況下采用現有技術Fabry-Perot激光器，則要求有近似100nm的信道寬度。如果采用具有這里說明的這種激光器的收發機，則這能夠減小到10nm。
使檢測器波導9逐漸變粗，即通過逐漸變粗高度和/或增加寬度以便隨其接近光柵4，12而增加波導模的寬度，也能用來在信道損耗小于1dB補償的情況下，容許在9nm范圍內的輸入數據的波長變化。例如，波導9能從其標準4微米寬度變粗到20微米，其導致展寬檢測器響應，結果能夠適應因溫度導致的發射激光波長的任何變化。
對于大的信道分離，例如上述1310nm到1550nm，在光柵的自由光譜范圍(FSR)內取得要求的信道分離是困難的。為克服這一點，光柵被設計成在FSR之外工作，但是在這種方式下，避免或最小化了帶有出現任何其它模式的串擾。為確保這一點，設計器件使得對應潛在干擾模式的波長不出現在波導9的輸入端上。
通過在芯片上提供另外的波導以將其它波長接收到類似于上述的激光腔和將其它波長接收到類似于上述的另外檢測器，還能夠將上述的收發機設計成在多于一個波段上進行發射和/或接收。借助近似4微米寬的波導，大約10微米的間隔，例如有可能在光柵的焦平面上形成最多達32個波導，結果使得收發機能夠在16個波長進行發射和在16個波長進行接收。
上述結構的收發機還方便了用于監視從激光器發射的光的二種可能的方法。第一個是取樣使用光柵的激光器腔內部的光。該光柵可被設計成帶有較低或較高階衍射模的小的但確定比例的激光功率。這能被耦合到其它分接波導13和耦合到其它光電二極管14(見圖2)。通過正確設計，這個較高階模的空間分離應當與發射和檢測波長λ1和λ2的空間分離充分地不同以允許在焦平面上較好地配置波導。
第二種方法是以監視從激光器放大器6的后小平面7發射的功率為基礎。這能夠從有角度的鏡面反射并耦合到合適的檢測器。在這種情況下，激光器放大器6將遠離芯片邊緣安裝以便在芯片上留有形成鏡面和檢測器的空間。
可以理解，為了使收發機的接收機靈敏度最大，檢測波長λ2最好應當與光柵4，12產生的衍射剖面峰值一致。
還可以理解，在AR涂層3的設計中，在通過增加對波長λ1的反射率而減小激光器腔損耗(減小激光器閾值電流)的期望和通過減小對波長λ2的反射率(減小用于輸入數據的耦合損耗)而增加接收機靈敏度的期望之間要有一個折衷。
與0％反射率的涂層相比，大約20％(對兩種波長)反射率的AR涂層例如將導致對接收功率將增加約1dB的耦合損耗(即降低1dB靈敏度)。與使用80％反射率的HR涂層相比，激光器閾值電流的對應增加將在30％左右。
正如上述，這里所述的收發機最好形成在絕緣體基外延硅(SOI)芯片上。SOI芯片使收發機各種元件的集成很容易并且具有相對低的加工成本。WO95/08787給出了SOI芯片的其它細節和其上形成的脊形波導。
GB2307786A和待審申請GB97025597(公開號GB2315595A)說明了在SOI芯片上安裝諸如光電二極管檢測器等元件的方法。待審申請97025795(公開號GB2317023A)中說明了錐形脊形波導結構。
用電子束或光刻技術在光學芯片表面上加工傳輸和反射光柵是公知的，因此不詳細說明。一般傳輸光柵4形成為淺凹槽，深度(例如0.2微米)和寬度為零點幾個微米，長度為幾個微米。周期是啁啾的并且一般為零點幾微米到幾個微米。
反射光柵12一般由深刻蝕部件形成，具有5-20微米寬的反射表面，空間隔開大約5-20微米，光柵一般具有大約500微米的長度。
鏡面11也是由深刻蝕形成的，一直伸過光引導層，并且為從幾百微米到幾個毫米寬。鏡面最好是圖3所示的凹面，以便準直和聚焦光，并且其上還可以具有反射涂層，例如其上涂有鋁涂層。正如上述，使用公知光刻蝕工藝，光柵和鏡面可加工成很高的精度，例如在大約0.2微米精度內。這種精度是可以重復的，因此使收發機能被制造成具有精確匹配的傳輸和接收波長。
權利要求
1一種集成光收發機，其包括形成在第一和第二反饋單元之間的激光器腔，在激光器腔內用于確定激光器腔激射波長的波長選擇裝置和光接收裝置，至少一個反饋單元在激射波長上是部分透射的以使得允許收發機發射該激射波長的光輻射，以及該波長選擇裝置被設置得用于接收通過一個反饋單元的光和傳送不同于激射波長的所選擇波長的光到該光接收裝置。
2權利要求1的收發機，其中所述波長選擇裝置包括衍射光柵。
3權利要求2的收發機，包括第一光波導，配置成以對應于所述激射波長從光柵接收之角度的第一角度將光發送到光柵上和從光柵上接收光，和第二光波導，配置成從光柵上以對應于所述選擇波長從光柵接收之角度的第二角度接收光。
4權利要求3的收發機，其中第二光波導具有用于從衍射光柵以一個角度范圍接收光的相對寬的接收端，和用于將該光傳輸到光接收裝置的較窄傳輸部分。
5權利要求2，3或4的收發機，形成在光學芯片上，其中衍射光柵包括通過一系列在芯片表面中的凹槽形成的傳輸光柵或反射光柵。
6前述任何一個權利要求的收發機，其中所述波長選擇裝置被設置得以10nm或更小的精度確定激射波長和選擇波長，與溫度變化無關。
7前述任何一個權利要求的收發機，其中所述反饋單元之一個包括抗反射涂層。
8權利要求7的收發機，其中抗反射涂層對所述選擇波長比對激射波長有更大的透過性。
9前述任何一個權利要求的收發機，其中所述反饋單元的另一個包括高反射的涂層，優選配置成反射至少80％的激射波長的光。
10前述任何一個權利要求的收發機，其中所述波長選擇裝置和激光器腔配置成使得收發機能夠發送多個激射波長的光。
11前述權利要求任何一個的收發機，其中所述波長選擇裝置和光接收裝置配置成使得收發機能夠檢測多個選擇波長的光。
12權利要求3和10或11的收發機，其中提供多個光波導，每個都配置成從波長選擇裝置中接收對應的激射波長或選擇的波長。
13權利要求12的收發機，其中所述多個光波導的接收端相互隔開20微米或更小，優選10微米或更小。
14前述任何一個權利要求的收發機，配置成使得每個激射波長和每個選擇波長不相互干擾。
15前述任何一個權利要求的收發機，包括輸出監視裝置，配置成監視透過另一個反饋單元的光以監視所發射輻射的功率。
16權利要求3的收發機，其中衍射光柵配置成以比通過所述第一光波導接收的光的衍射模式較高或較低階衍射模式衍射在所述激射波長上的光，并且包括輸出監視裝置，用于接收所述較高或較低階衍射模式的所述激射波長以監視發射輻射的功率輸出。
17前述任何一個權利要求的收發機，其中，光接收裝置包括光檢測二極管。
18前述任何一個權利要求的收發機，其集成在絕緣體基外延硅芯片上。
19前述任何一個權利要求的收發機，其具有10nm或更小的信道寬度。
20一種基本上同前述的涉及所附附圖的集成光收發機。
21一對前述任何一個權利要求的收發機，其中一個收發機的激射波長對應于另一個收發機的選擇波長。
22一對權利要求22的收發機，其中各個收發機的波長選擇裝置每個都包括具有類似精確度的衍射光柵，由此每個收發機的各個激射波長和選擇波長是通過本質上等同的裝置確定的，因此自動地相互匹配。
全文摘要
一種集成光收發機包括:形成在第一和第二反饋單元(3,7)之間的激光器腔,例如為衍射光柵(4)的在激光器腔內用于確定其激射波長的波長選擇裝置和光接收器(10)。反饋單元(3)之一在激射波長上是部分透明的,使得收發機能夠在激射波長上發射光輻射,所述波長選擇裝置(4)被設置得用于接收通過反饋單元(3)的光和將與激射波長不同的選擇波長的光傳輸到光接收裝置(10)。
文檔編號H04B10/40GK1286819SQ98813770
公開日2001年3月7日 申請日期1998年12月18日 優先權日1997年12月23日
發明者M·阿斯格哈里 申請人:布克哈姆技術公共有限公司